Advanced Materials:冉冉兴起的仿生人工木材

十年树木百年树人,是中国一句古老的成语,它告诉我们一棵树的长成需要历经“十年”的风吹、雨打、日晒,这是何其漫长的过程!而木材,作为一种被利用了几千年的传统工程材料,即便在水泥钢筋构筑的现代社会,仍在制造、建筑和包装等领域发挥重要的作用。但是,木材的大量获取会对环境产生极大的压力;而且,木材本身易燃、易腐蚀的缺点也会带来潜在的隐患。我们不禁要问,在人类生存环境日益严峻的现在及未来,人类能否创造出性能堪比甚至超过木材的替代品?数十年来,科学家们前赴后继,发明出一系列聚合物基 “仿木”材料,如纤维素、聚乳酸、聚乙烯醇等。但这些材料只达到“形似”的程度,仅仅是模仿了木材内部的取向孔道,在关键性能——机械强度方面,相比于天然木材,难以望其项背。那么如何得到“神似”的人造木材,实现如木材一样的轻质高强呢?

针对这一问题,中国科学技术大学俞书宏院士团队系统性地阐述了仿生人工木材的概念。研究者首先阐述了天然木材的微观结构,木材内部具有数十微米的取向孔道,使木材具有高孔隙率和低密度,同时有助于提高机械强度,特别是在平行于孔道的方向上。孔壁在机械性能中也起着关键作用,其主要由化学交联的无定形多酚聚合物(即木质素)构成,赋予了木材刚性。因此,基体材料的选择需要满足以下两点:(1) 具有相似的刚性链段的交联化学结构(如酚醛树脂、密胺树脂);(2)具有良好的体系相容性,尤其是在特定溶剂中的溶解度。同时,通过控制初始冷冻温度、冷冻速率与基体材料的浓度,研究人员可以轻易控制孔径的大小,以及孔壁的厚度,以实现不同应用场景的需求。由于在微观结构设计和化学成分选择方面存在无限的可能性,因此人造木材有望为我们带来诸多可能的应用,如轻质高强材料、物质定向运输、隔热防火等。

为了复刻木材的微观结构并获得令人满意的机械性能,设计时应同时考虑孔道和孔壁。孔道的构筑技术已经十分成熟,因此需要更多关注孔壁,孔壁在决定人造木材的机械性能和其他方面起着重要作用。然而,由于目前聚合物基体材料的选择非常有限,因此迫切需要开发更好的方法来有效地将聚合物与孔道构筑结合起来。此外,目前冷冻铸造的能耗较大、效率偏低,距离大规模的工业化生产还有很长的路要走。

从基体材料来看,大多数工程聚合物基本上都是化石燃料衍生的塑料,会对环境产生恶劣的影响。寻找环保材料势在必行。有两种方法可以实现最终目标(具有良好机械性能、完全可生物降解的人造木材):(1) 从生物质材料开始,利用新颖的技术将这些灵活的生物分子组装成坚固的人造木材;(2) 将工程聚合物改性为可生物降解或可回收的聚合物,但不以显著牺牲机械性能为代价。目前,第二个最佳选择似乎更为可行,因为已证明某些热固性聚合物可回收,即所谓的“Vitrimers”。

研究者相信,人造木材正冉冉兴起,基于生物材料或可回收工程聚合物的高性能人造木材,或许能在未来大放异彩,跻身新型高性能仿生工程材料的大家族之列。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001086)上。